信号转换电路

多路模拟开关
4.3 A/D和D/A转换电路的基本概念
分辨率：对应一个数字输出的模拟输入电压 有一定的幅度范围，若超过这个幅度范围，数字 输出就会发生变化，这样能分辨的电压范围叫做 分辨率。通常用LSB（Least Significant Bit)表示。 日常中多用位数表达。例如，12位、16位等。
uo
和权电阻网络相比， 形解码网络中电阻的类型少， 和权电阻网络相比，T形解码网络中电阻的类型少， 只有R、 两种 电路构成比较方便。 两种， 只有 、2R两种，电路构成比较方便。 由于解码网络的电路结构和参数匹配，使得上图中 、 、 由于解码网络的电路结构和参数匹配，使得上图中D、C、 B、A四点的电位逐位减半 四点的电位逐位减半. 、 四点的电位逐位减半
∞ A
+
+
uo
D3
D2
D1
D0
这种变换器由“电子模拟开关” 这种变换器由“电子模拟开关”、“权电 阻求和网络” 运算放大器” 基准电源” 阻求和网络”、“运算放大器”和“基准电源” 等部分组成。 等部分组成。
UR
R3 R/8 S3 0
R2 R/4 S2 0 1
R1 R/2 S1
R0 R S0
R = 80 k Ω RF 5 kΩ
Σ－∆ A/D 转换器的特点 － 转换器 优点： 优点：分辨率高、线性度好、成本, 特别 是适合于既有模拟信号又有数字信号的混 合信号处理场合。 缺点： 缺点：采样速率受带宽和有效采样速率 （输出字速率）的限制，使其不能用于图 象视频等高频场合；由于数字滤波器需要 较长的建立时间，所以Σ－∆ ADC很难用 于具有多路转换器的多通道模数转换场合。
UR
D R
C R B R A R0 R1 2R 2R S0 S1 1 I1 1 I0 I 2R RF - ∞ A + +
R2 R3 2R 2R S2 S3 0 0 I3 I2
uo
D3 D2 D1 I = I3 + I2 + I1 + I0
D0
UR UR UR UR = D1 + D3 + D0 D2 + 2R 4R 8R 16R UR ( 8D3 + 4D2 + 2D1 + 1D0 ) = 16R URRF uo = - 16R ( 8D3 + 4D2 + 2D1 + 1D0 )
量化和量化误差：将幅度连续取值的模拟信 号变为只能取有限个某一最小当量的整数倍数值 的过程称为量化。 通过量化将连续量转换成离散量，必然存在 类似于四舍五入产生的误差，最大误差可达到 1LSB的1/2。此误差叫做量化误差。
f(t) 7 6 5 4 3 2 1 0 O t F1 F3 F2 F6 F7 F8 F4 F5
R 显然， 显然，输出模拟电压的大小直接与输入 二进制数的大 小成正比， 小成正比，从而实现了数字量 到模拟量的转换 。
4.4.2 T形解码网络 形解码网络D/A变换器 以4位为例 ) 变换器( 形解码网络 变换器 位为例
UR D R C R B R A R0 R1 2R 2R S0 S1 1 I1 1 I0 I D3 D2 D1 D0 2R RF - ∞ A + + R2 R3 2R 2R S2 S3 0 0 I3 I2
S
当 D = 1 时 ， T2 管 饱和导通， 管截止， 饱和导通，T1 管截止， 则 S 与 a 点通 ； 当 D = 0 时 ， T1 管饱和导通， 管饱和导通，T2 管截 止，则 S 被接地 。 前者相当于开关S 接到 “ 1 ” 端 ，后者 则 相当于开关S 接到 “ 0 ”端 。 端
T2
f1(t) 7 6 5 4 3 2 1 0
F1' F
' 2
F3'
F4' F5' F8' F6' F7'
对 编 011 应 码
101
111
111
110
100
011
101
t
a)
b)
精度/线性度/线性误差：理想的ADC是 指不含量化误差以外的误差，但实际上由 于使用的元件和噪声等产生各种误差。精 度是表示所含误差的比例，用刻度的百分 比或PPM表示。精度分为绝对精度和相对 精度。 转换速度/电压（电流）建立时间 转换速度/电压（电流）建立时间：完 成一次A/D转换所需要的时间，即从它接到 转换命令起直到输出端得到稳定的数字量 输出所需要的时间。
4.4 D/A 转换电路基本原理
常见的有“权电阻” 常见的有“权电阻”和“T形电阻网 形电阻网 两种方法。 络”两种方法。
4.4.1 权电阻 权电阻D/A变换器 变换器
UR R3 R2 R1 R0 R = 80 k Ω RF 5 kΩ
R/2 R/8 R/4 R S1 S0 S2 S3 0 1 0 1 0 1 0 1
第四章 信号转换电路
4.1 开关量控制电路
功率开关驱动电路
直流负载：晶体管、场效应管。可以有Sourcing和 直流负载：晶体管、场效应管。可以有 和 Sinking方式输出。 方式输出。 方式输出 交流负载：电力晶体管（ ）、可关断晶闸管 交流负载：电力晶体管（GTR）、可关断晶闸管 ）、 ）、电力场效应管 （GTO）、电力场效应管（MOSFET） ）、电力场效应管（ ）
E > ux > 7E / 8 1 1 1 1 1 1 1
7E / 8 > ux > 6E / 8 1 1 1 1 1 1 0 1 6E / 8 > ux > 5E / 8 1 1 1 1 1 0 0 1 5E / 8 > ux > 4E / 8 1 1 1 1 0 0 0 1 4E / 8 > ux > 3E / 8 1 1 1 0 0 0 0 0 3E / 8 > ux > 2E / 8 1 1 0 0 0 0 0 0 2E / 8 > ux > 1E / 8 1 0 0 0 0 0 0 1E / 8 > ux > 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
光电隔离电路
4.2 采样保持电路
采样保持电路的基本性质 组成： 模拟开关 模拟信号存储电容 缓冲放大器
a) ui ,uo uo
f(t)
O fs(t)
t
O
Ts
t
对采样保持电路的主要要求： 精度和速度
采样定理：若模拟信号的最高频率为fmax，则采样 频率fT只要大于2fmax，则采样信号就可以复现原信号。 通常取fT>(5~10)fmax。
1
∞ A
+
+
uo
D3
D2
D1
D0
电子模拟开关( 由电子器件构成， 电子模拟开关( S0-S3)由电子器件构成，其动作受二进制 控制。 则相应的开关S 接到位置1 数D0-D3 控制。当 DK ＝1 时，则相应的开关SK 接到位置1上， 将基准电源U 经电阻R 将基准电源UR经电阻Rk引起的电流接到运算放大器的虚地点 开关S 接到位置0 如图中S ）；当 （如图中S0、S1）；当Dk＝0 时，开关Sk 接到位置0 ，将相 应电流直接接地而不进运放（如图中S 应电流直接接地而不进运放（如图中S2、S3）。
例如：AD574A（逐次逼近式） 例如： （逐次逼近式）
AD7710（ Σ－∆ 式） （ －
例如：DAC80 例如：
4.5 A/D 转换器 ① 并联比较型
特点: 转换速度快,转换时间 特点 转换速度快 转换时间 10ns ~1µs µ
② 逐次逼近型
特点: 转换速度中,转换时间 特点 转换速度中 转换时间 几µs ~100 µs
③ 双积分型
特点: 转换速度慢,转换时间 几百µ 几 特点 转换速度慢 转换时间 几百µs ~几ms
E R 7E/8 R 6E/8 R 5E/8 R 4E/8 R 3E/8 R 2E/8 R E/8 R
ux
+ + +
4.5.1
- ∞ + G F E D C B A
并联比较A/D转换 并联比较A/D转换 A/D
电路由三部分 组成: 分压器、 组成: 分压器、比 较器和编码器。 较器和编码器。
- ∞ +
- ∞ + - ∞ +
编 码 器
D2 D1 D0 数字输出 这种A/D 这种A/D 变换 器的优点是转换速 度快， 度快，缺点是所需 比较器数目多， 比较器数目多，位 数越多矛盾越突出。 数越多矛盾越突出。
+ + +
- ∞ + - ∞ +
- ∞ +
+
逻辑状态关系表
输入电压
ux
比较器输入
编码器输出
A B C D E F G D2 D1 D0 1 1 1 0 0 1 1 0 0 1 0 1 0 1 0 1 0
a
D
电子模拟开关的 简化原理电路
UR
R3 R/8 S3 0
R2 R/4 S2 0 1
R1 R/2 S1
R0 R S0
R = 80 k Ω RF 5 kΩ
1
∞ A
+
+
uo
D3
D2 UR
D1
D0
根据反相比例运算公式可得： 根据反相比例运算公式可得： Uo = RF （ 23 D3 ＋ 22 D2 ＋ 21 D1 ＋ 20 D0 ）
4.5.2 逐次逼近A/D转换 逐次逼近 转换
4.5.3 双斜率积分A/D转换 双斜率积分 转换
T
T1 T2
4.5.4 Σ－∆ A/D 转换器 转换器 －
Σ－∆ ADC以很低的采样分辨率(1位) 和很高的采样速率将模拟信号数字化, 通 过使用过采样、噪声整形和数字滤波等方 法增加有效分辨率, 然后对ADC输出进行 采样抽取处理以降低有效采样速率。 Σ－∆ ADC的电路结构是由非常简单 的模拟电路(一个比较器、一个开关、一 个或几个积分器及模拟求和电路)和十分 复杂的数字信号处理电路构成。